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浅谈发动机轻量化趋势于活塞环的影响
The Engine Lightweight Trend for Influence of Piston rings
周革华
（安庆市德奥特汽车零部件制造有限公司）
〔摘要〕本文简单介绍了发动机轻量化趋势，并就此趋势具体分析了其对活塞环的影响。力图理顺如下关系：发动机轻量化及其性能提高的要求导致活塞环薄型化，为满足薄型化设计采用钢质活塞环材料，为改善钢质材料的耐磨性和抗咬合性，其表面处理逐步高档化。
〔关键词〕发动机轻量化 活塞环 铸铁 钢质 薄形化 DLC涂层
Key words: Engine Lightweight Piston rings Cast iron Steel Thinner DLC
近年来，活塞环业内人士普遍认为活塞环薄型化、材料钢质化、表面处理高档化是其技术发展趋势，准确的说这一趋势是发动机技术发展导致的结果。活塞环虽然是发动机的一个关键零部件，但从目前国内整机厂家与活塞环供应商的合作模式来看，基本上还是整机厂家掌握活塞环的设计，活塞环厂家只是按整机厂家的设计来制造。随着中国发动机产业的发展，以后整机厂家和活塞环厂家联合设计活塞环是可能的发展方向。为什么现在出现了活塞环薄形化、钢质化等趋势，需要介绍下发动机的轻量化设计。发动机轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于质量轻，起步加速性能更好，刹车制动距离更短，提升了安全性。随着“节能环保”的要求越来越高，现在轻量化已经广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性、减少废气排放的同时还能有出色的节油表现。有研究数字显示，若汽车整车质量降低10％，燃油效率可提高6％-8％，因此发动机的轻量化对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。另外由于新材料、新工艺的采用，车身、底盘、车桥等部件质量在逐步下降，若发动机的质量不降低势必导致整车的均衡性受到破坏。所以发动机的轻量化已经是产业发展的必然趋势。
本文的重点不在于深入讨论发动机轻量化，而是想探讨一下发动机轻量化趋势对于活塞环的影响。在保证一定工作容积的基础上，降低活塞、活塞环组件的尺寸往往成为发动机设计人员的直接考虑，具体到活塞环就是降低轴向和径向厚度。这种改变是最直观的变化，目前为发动机轻量化设计普遍采用。降低活塞环的轴向和径向厚度不仅能减小其本身及相关配合部件的尺寸，同时还具有其它一些好处。例如环的惯性降低，能够防止环向上抬起，这样窜气量也就减少了。越是高转速发动机，其惯性力的影响就越大，减少环高尺寸来降低窜气量是行之有效的。油环的轴向尺寸对机油耗也是有影响的，这是由活塞的头部摆动现象引起的，应尽量降低油环不随那种摆动而一起随动。实验表明轴向尺寸小的油环的机油耗要对应少些。降低环高还可以减小摩擦。在充分润滑条件下,在任何给定的壁面压力下,第一道环的摩擦大致与环高成正比。环高从1.5mm减小到1.2mm,第一道环的摩擦就会减少约20%。
既然降低活塞环的环高对发动机轻量化有直接影响，又有提高密封性和降低机油耗等诸多好处，那么是不是可以随意降低，这里就需要谈下活塞环的设计以及材料。众所周知，活塞环之所以能在气缸内能起密封作用，是由于活塞环具有一定的弹力，而活塞环弹力的获得及其大小，除活塞环的几何形体和残留应力外，活塞环材料本身所具有的弹性是十分重要的。衡量材料的弹性，通常以弹性模量表现。另外我们知道在活塞环设计时，在确定了弹力（面压）后应考虑多项满足条件，这其中有两种应力是必须要考虑的，安装应力和工作应力。安装应力过大容易造成断环或过度变形失去圆度；工作应力过大会造成较大的弹力消失。关于弹性模量以及应力的理论计算公式及材料性能表如下。

24πr2M
弹性模量： E = ───────
S0h1α1³ψ

E：弹性模量、S0：自由开口、S1：闭口间隙、S0’：安装扩口、D：公称直径、a1：径向厚度、
ψ：惯性矩系数（矩形截面 ψ=1）、r：活塞环径向平均半径、M：活塞环闭合时的弯矩

(S0-S1)a1
工作应力： δ1 =0.425 E───────ψ
(D-α1)2

(S0’- S0)a1
安装应力： δ2 =0.425 E───────ψ
(D-α1)2

序号
材料
弹性模模量(MPa)
许用安装应力(MPa)
许用工作应力(MPa)
1
合金铸铁
85000～115000
500
300
2
球墨铸铁
≥150000
900
450
3
硅铬钢
≥190000
1100
500
4
马氏体不锈钢
≥200000
900
500
通过计算可以知道，在保证相同面压的情况下，降低活塞环轴向厚度后，其工作应力会大幅提高，甚至超出了许用应力要求。而且在需要同时保证弹力和自由开口的情况下就必须要改变材料的弹性模量，由此产生了铸铁材料无法满足要求的矛盾。从上表可以看出，钢质材料的弹性模量、许用工作应力和安装应力明显高于合金铸铁和球墨铸铁。这就为活塞环薄形化提供了可能。这种可能现在已经成为现实。下图为目前汽油机活塞环环高设计趋势。

从上图可以看出压缩环的环高已经出现0.8mm，油环环高已经出现1.5mm，但此类薄形环目前国内活塞环厂家批量生产依然存在一定困难。
钢质材料解决了活塞环薄型化的机械性能限制，但是传统的活塞环材料却是以合金铸铁和球墨铸铁为主，特别是柴油发动机目前采用钢环还是比较谨慎。这是因为活塞环做为摩擦运动件，从材料自身的耐磨性来看，与铸铁材料相比较，钢不是什么好材料，特别是其抗咬合性很差。铸铁材料具有一些天然的优势。铸铁中含有的石墨是优良的固体润滑剂，当活塞环处于临界摩擦或干摩擦的状态下，铸铁材料显示出其优越的自润滑性能。怎么来弥补钢质材料这些基本性的缺陷，下面就需要谈到活塞环的表面处理高档化。钢质材料表面处理最初是使用硬质铬电镀，母材使用硅铬钢。随着发动机高转速、高负荷的需要，薄幅、高强度的不锈钢材料被开发出来，做为活塞环的表面处理，开发了氮化处理。马氏体不锈钢经氮化处理后，氮化层具有脆性，过厚有断环风险。为满足高性能轿车发动机活塞环高负荷、抗咬合、高耐磨的表面处理要求，具有氧化铝陶瓷的铬层CKS，端面闪镀（活塞环侧面强化技术）等新技术相继出现。随着环境保护要求的不断提高，污染严重的湿式电镀工艺有逐步淘汰的可能。相对环保的物理气相沉积（PVD）处理目前已经成为一种主流表面处理方式，但受设备及工艺技术限制，目前国内PVD处理能真正做出功能性涂层的活塞环厂家并不多。PVD处理根据不同的金属靶材和反应气体，会生成不同种类的涂层，如：TiN、CrN、DLC等等。其中类金刚石涂层（DLC）应用于活塞环，由于其具有良好自润滑性、高硬度、超低摩擦系数，将会有更加广泛的应用。下图反映了几种表面处理磨损情况的对比情况。

材料和表面处理是活塞环发展的两个突破方向，即相互独立又互相依存。钢由于具有较高的机械性能，部分满足了活塞环薄型化设计要求，而通过高档化的表面处理弥补了其耐磨性和抗咬合性等缺陷。那我们现在是否完全解决了活塞环薄型化这一问题，从国内活塞环行业的现状来看，结果不容乐观。个人认为国内目前的材料和表面处理水平还难以满足进一步的发动机轻量化要求。即使面对现有的要求，还是存在诸多问题，下面主要谈两点。
第一点：钢质材料的导热性能。我们知道导热是活塞环的四大基本功能之一。发动机活塞及活塞环是在高温高压的环境下工作，活塞组件如果不冷却，就会产生过热，其结果会导致强度降低而失效，这对发动机的伤害是致命伤的，为了防止这种危险，需要将活塞顶部所承受的热量尽快向下部传热，或者通过活塞环经缸壁通过冷却水和冷却风扇向外散热。其中通过活塞环向缸壁散热占活塞顶部所受热量的70%-80%，决定活塞环导热能力的是其材料的导热系数，活塞环的导热系数越高，则传出的热量越多。活塞环的工作温度越低，对改善润滑减少磨损，特别是减少拉缸越有利。一般铸铁的热传导系数在50W/m℃以上，而钢质材料的热传导系数在50W/m℃以下，钢的导热系数明显小于铸铁。在活塞环材料由传统铸铁向钢质材料转换的过程中，已经出现过部分机型散热效果差、活塞环工作温度过高的情况，特别是在一些摩托车发动机上体现明显。
第二点：钢质材料开发能力的制约。表面上看钢环的加工工艺比铸铁环少，这是因为其主要成型工序是由材料厂家来完成，后续活塞环厂家的机加工工序相对较少。但把活塞环制造做为一个整体来考虑，就不能只考虑目前活塞环厂家的工艺技术。虽然目前国内有少数活塞环厂家能自己生产钢质材料，但还多是简单的矩形截面，对于复杂截面（切扭环、油环等）的材料还是由材料厂家来生产，这和国内有大量活塞环厂家拥有铸铁材料的铸造能力大不相同。这里就涉及到一个比较麻烦的问题，材料厂家一般不会只生产活塞环材料，还包含其他一些产品，例如弹簧材料、模具材料等等，对于活塞环的研究多不深入，很少涉及活塞环的前设计和后续加工。只能提供一些较为简单的产品，例如环高1.5mm的I型钢质油环材料，国内尚未见有成熟开发厂家。对于钢质活塞环设计制造这个整体来说，材料开发与其前后设计开发出现脱节的情况，影响了钢质活塞环的整体发展。如果钢环真的成为将来的主流配置，我们国家的活塞环制造业可能会出现一个比较大的结构调整。其一模式，材料厂家加大技术投入，依靠自身力量或联合活塞环制造厂家针对活塞环材料进行重点研究，这必然会涉及到活塞环整体设计制造，现有活塞环制造厂家的工作量势必会减少，产品的附加值主要是在材料设计制造部分。另外一种模式就是目前的活塞环行业的制造厂家自身具备复杂材料的设计开发能力。继续掌握活塞环产品的大部分附加值。两种模式都会对现有行业结构产生冲击，目前垄断国内高档钢质活塞环材料的依然是日本和欧美的几家公司。
综上所述，虽然目前活塞环薄型化、钢质化、表面处理高档化趋势明显，但我们在实际应用中还是必须要正视如下问题：1、目前国内钢质材料开发能力有待提升，需解决材料耐磨性、导热性、薄形复杂截面形状开发等诸多问题。2、PVD等高档表面处理目前受限于设备、工艺等限制，成本较高，市场推广有难度。这些问题是目前活塞环行业亟需解决的问题。发动机设计方面，不能因为活塞环结构相对简单，容易改变，轻易采用改变活塞环设计来满足发动机性能的改进。

参考文献
1、 GOETZE，Piston Ring Handbook.2008
2、 应善强，张捷,等，汽车轻量化技术途径研究，汽车工业与材料 2010
3、 周巧玲，浅谈汽车发动机的轻量化，科技资讯 2011
4、 邱复兴，活塞环行业的挑战和对策，中国汽车维修市场 2001

作者简介：周革华（1977-），男，安徽怀宁人，工程师， 1999年开始从事发动机活塞环领域相关工作，Email:272724480@。